聚合物基全息光柵對乙醇響應性能研究

唐紅霞，于 丹

聚合物基全息光柵對乙醇響應性能研究

唐紅霞1，于 丹2

（1. 綏化學院 電氣工程學院，黑龍江 綏化 152000；2. 天津理工大學 理學院，天津 300384）

為實現乙醇類有機蒸氣的探測，多孔沸石納米粒子被摻雜進入有機光敏聚合物材料，并研制出新型光柵。實驗測試了反射式與透射式全息光柵的光譜及光柵強度的響應特性。波長發生藍移是由于蒸氣分子滲透導致的平均折射率降低，光譜發生紅移是由于材料的膨脹導致光柵間距增加?？赡嫘詫嶒灲Y果證實，對于有機蒸氣，該全息光柵是完全可逆的，能夠用于多次重復測量。聚合物基全息光柵能夠于演示實驗教學，使學生了解全息光學的應用。

聚合物全息光柵；光柵衍射；乙醇

全息光學裝置，如全息數據存儲、全息相關識別、光學調制器、光學濾波器等在各自領域有著重要的應用價值[1-7]。在全息裝置的研制中，材料的選擇是重中之重。相對于晶體材料而言，光致聚合物材料有著研制周期短、制備成本低廉、全息性能優異等顯著優勢，已經逐步取代晶體成為體全息信息存儲材料的首選[8-12]。近年來，一種新穎的基于有機聚合物材料的全息光學傳感方式與器件受到了廣泛關注[13-17]。全息光柵常用作光學傳感器，故也稱全息傳感器，能夠實現高度可視化，提供色彩鮮艷、圖形立體美觀的標示等[18]。相對于其他電學傳感器，全息傳感器有著顯著的優勢與應用價值。

各大高?，F有的全息照相實驗，曝光后需要進行濕處理（顯影、定影），這對于學生的操作熟練程度要求較高，因而學生的整體實驗成功率較低?；诠庵戮酆衔锊牧系娜鞲衅髦苽渑c曝光過程簡單易懂，不需要后續處理，實驗現象直觀，因此十分適合替代現有的全息照相技術，應用于普通物理實驗教學。

1 聚合物基全息學柵的制作

1.1 材料

研制全息光柵的關鍵是選用合適的聚合物材料。為了實現有機蒸氣的傳感響應，尤其是乙醇蒸氣，本實驗選用具有高吸附能力的丙烯酰胺聚合物系統，同時摻雜沸石納米粒子，用于吸附乙醇蒸氣分子。丙烯酰胺光致聚合物系統主要成分包括單體丙烯酰胺、基底聚乙烯醇、交聯劑NN亞甲基雙丙烯酰胺、鏈轉移劑三乙醇胺，以及光敏染料（實驗中選用紅光敏感的染料亞甲基藍）。該光致聚合物材料中的大部分成分具有水溶性，因此對空氣中的有機蒸氣響應顯著；同時摻雜的多孔絲光沸石能夠選擇性吸附乙醇蒸氣，為傳感器響應的選擇性奠定了基礎。

1.2 聚合物基全息光柵的制作

全息光柵的研制過程：首先將質量分數為10%的聚乙烯醇與去離子水共混（由于常溫下聚乙烯醇的溶解度較低，選擇在高溫70 ℃下，將去離子水與其進行攪拌共混），直至溶液變為無色透明黏稠狀液體；取一個干凈燒杯，將丙烯酰胺、三乙醇胺、亞甲基雙丙烯酰胺和光敏染料按質量分數分別為10%、30%、5%和0.1%稱量并進行混合；將冷卻至室溫的聚乙烯醇溶液與上述各成分進行攪拌混合，直至混合液體變為澄清透明藍色溶液；將混合液體用膠頭滴管或針管滴于玻璃基片或載玻片上，在環境相對濕度為30%、溫度為20 ℃下自然干燥48 h后待用。樣品的厚度可以通過滴加液體的量來控制。

全息光柵的記錄采用二波耦合光柵記錄裝置（見圖1）?？紤]到材料內部光柵角度，采用透射式和反射式兩種記錄方法制作全息光柵。理論而言，材料的平均折射率的降低將導致光譜藍移，光柵間距增大將導致光譜紅移。實驗中，透射式裝置兩束光夾角為60°，反射式裝置兩束光夾角為120°；光柵傾角10°。超連續譜白光源沿著其中一束光的反方向入射至材料上，并經光柵衍射，滿足Bragg條件的光將沿著另外一束光的相反方向射出。采用光纖光譜儀對衍射光進行收集、處理，便能夠實時準確地表征光柵衍射光譜信息。在全息傳感實驗中為了準確探測有機蒸氣濃度，精確控制環境濕度為30%、溫度為20 ℃恒定。

圖1 透射式(a)與反射式(b)全息光柵的記錄示意圖

2 實驗測試與結果

2.1 透射式全息光柵對乙醇蒸氣的響應測試

實驗中，首先將材料記錄一個高衍射效率的透射式光柵，然后將其放置于乙醇蒸氣濃度可控的有機玻璃器皿中進行傳感吸附。經過計算，乙醇蒸氣質量分數間隔為140′10-6，范圍0~700′10-6，傳感時間間隔為5 min；然后將材料通過復位架重新放置于初始記錄光柵的位置，探測相應的衍射光譜，描述蒸氣質量分數與光譜峰值波長移動間的關系，便能夠實現傳感器定標。

圖2為透射式全息光柵對乙醇蒸氣響應的光譜特性（為乙醇蒸氣質量分數），兩種樣品的納米粒子摻雜質量分數分別為0.14%與0.40%。圖2(a)、(b)和(c)分別為納烽粒子摻雜質量分數為0.14%的透射式全息光柵的衍射結果（m為峰值波長，為相對強度）；圖2(d)、(e)和(f)為0.40%全息光柵的衍射結果?？梢钥闯觯S著蒸氣質量分數的逐步增加，光柵衍射光譜發生顯著的藍移，并且峰值波長的移動接近10 nm。根據對光柵衍射光譜波長移動的誘導因素分析，光柵間距的增加是光譜紅移的主要原因，而平均折射率的降低是光譜藍移的誘因。這說明對于透射式光柵，吸附乙醇蒸氣后，光柵間距并沒有顯著增加。藍移的主要誘因可以認為是由于乙醇分子滲透進入材料內部后，顯著降低了材料的平均折射率，導致光柵衍射光譜藍移。在進行吸附傳感的同時，光柵強度有所下降，并最終保持一定的穩態值。因此透射式光柵對乙醇的響應的波長藍移可以作為傳感有機氣體的一個顯著特征，但是波長的改變范圍還有待進一步擴大。

2.2 反射式光柵乙醇蒸氣的響應測試

為了在乙醇蒸氣傳感過程中獲得更為顯著的波長移動，對反射式光柵全息傳感器對乙醇蒸氣響應特征進行了測試。圖3為反射式全息光柵的衍射光譜特征。圖3(a)、(b)和(c)為納烽粒子質量分數為0.14%的反射式全息學柵的衍射結果，圖3(d)、(e)和(f)為納米粒子質量分數為0.40%的反射式全息光柵的衍射結果。從實驗結果可以看出，反射式光柵的光譜移動主要呈現紅移趨勢。在乙醇質量分數為300′10-6~400′10-6附近出現了短暫的藍移，然后始終保持紅移狀態。最大波長移動接近甚至超過了100 nm，這說明當乙醇分子滲透進入材料后，首先導致材料的平均折射率下降，而后隨著乙醇濃度的增大，材料的膨脹效應顯著提高，導致材料內部光柵間距增大，最終發生顯著穩定的紅移。相對衍射強度隨著乙醇蒸氣濃度變化的規律表明，有機氣體滲透進入材料后，將導致光柵強度衰減，并最終趨于穩定值。該衰減過程滿足典型的指數關系。

為了進一步證實乙醇分子滲透導致材料的平均折射率降低，測試了不同乙醇蒸氣質量分數的材料的平均折射率，測試數據見表1?？梢钥闯觯S著乙醇蒸氣質量分數的增加，材料的平均折射率顯著降低。納米粒子的加入一定程度上能夠增大材料的平均折射率，但吸附過程仍然導致材料折射率顯著下降。

圖2 透射式光柵乙醇傳感響應過程中的衍射光譜特征

圖3 反射式光柵乙醇蒸氣濃度傳感響應特征

2.3 聚合物基全息光柵的可逆性測試

首先將材料置于乙醇蒸氣環境中，當乙醇蒸氣質量分數達到560′10-6后，再將材料放置于室溫空氣環境中測試其逆過程，實驗數據見圖4。峰值波長隨時間的變化規律說明材料能夠在經歷一段時間后恢復到初始的光柵衍射峰值位置，同時光柵強度能夠恢復到初始強度，這說明全息傳感器對于乙醇類有機蒸氣響應是可逆的。

表1 材料平均折射率的測量結果

圖4 全息傳感器對乙醇蒸氣響應的可逆性

3 結論

（1）全息光柵對乙醇蒸氣濃度響應測試表明，波長移動可以作為有機蒸氣傳感表征的主要手段。在反射式光柵中，峰值波長存在顯著的藍移；而在透射式光柵中，峰值波長紅移是主要特征，相關誘因可以通過平均折射率與光柵間距改變解釋。沸石納米粒子的加入，增大了材料的折射率，并擴大了傳感范圍，從而增強了傳感器的傳感響應能力。

（2）可逆性實驗結果證實全息光柵具有高度可逆性。全息光柵作為一種新穎的光學傳感方式，是遠程、無接觸、對操作人員安全的有機蒸氣傳感新方法。

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Research on response of polymer-based holographic grating to ethanol

TANG Hongxia1, YU Dan2

(1. College of Electrical Engineering, Suihua University, Suihua 152000, China; 2. College of Science, Tianjin University of Technology, Tianjin, 300384, China)

In order to detect the ethanol organic vapor, porous zeolite nanoparticles are doped into organic photosensitive polymer materials, and a new grating is developed. The spectral and intensity response characteristics of reflective and transmissive holographic gratings are experimentally measured. The blue shift of wavelength is due to the decrease of average refractive index caused by vapor molecule permeation, and the red shift is due to the increase of grating spacing caused by material expansion. The reversibility experiment results show that the holographic grating is completely reversible for organic vapor and can be used for repeated measurements. The polymer-based holographic grating can be used in demonstration experiment teaching, so that students can understand the application of holographic optics.

polymer holographic grating; grating diffraction; ethanol

TP212.14

A

1002-4956(2019)07-0062-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.017

2018-12-16

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（12531838）；黑龍江省省屬高等學校基本科研業務費科研項目（KYYWF10236180211）；天津市高等學校自然科學研究項目（2017KJ238）；綏化學院杰出青年基金（SJ12006）

唐紅霞（1979–），女，黑龍江綏化，碩士，講師，主要從事光學方面的研究.E-mail:xiaxia1227@163.com